Naar de content

Zwart gat slokt ‘verboden object’ op

NASA/ESA/N. Tr’Ehnl (Pennsylvania State University) via CC BY 4.0

Augustus vorig jaar zagen astronomen in Amerika en Europa een signaal op de schermen van hun zwaartekrachtgolfdetectoren. Het blijkt afkomstig van een gewelddadige botsing tussen een zwart gat en iets dat vooralsnog lastig te verklaren is.

Twee zware objecten – zoals zwarte gaten – die snel om elkaar heen draaien kunnen de ruimtetijd als een soort drilpudding aan het trillen brengen. Deze zogenoemde zwaartekrachtgolven werden in 1915 door Albert Einstein voorspeld en in 2015 voor het eerst gemeten.

 LIGO/T. Pyle met toestemming

Afgelopen zomer rilde de ruimtetijd. Dat duurt slechts een paar seconden en was voor mensen op aarde volledig onmerkbaar, maar de ultragevoelige zwaartekrachtgolfdetectoren van LIGO en Virgo waren in staat dit op 14 augustus 2019 te meten. Onderzoekers wisten vrijwel meteen dat er op zo’n 800 miljoen lichtjaar afstand een botsing had plaatsgevonden tussen twee extreem zware objecten.

Na tientallen van dit soort metingen die sinds de allereerste in 2015 zijn gedaan, kijken astronomen hier niet meer van op. Maar wat nu wél tot opwinding leidt is de aard van een van deze twee objecten. De onderzoekers leiden uit het signaal af dat ze enerzijds te maken hebben met een waarschijnlijk niet erg uitzonderlijk zwart gat van tussen de 22 en 24 keer de massa van onze eigen zon. Het andere object is interessanter: dat blijkt te bestaan uit 2,6 zonsmassa’s. Op papier is het daarmee té zwaar voor een neutronenster (een opgebrande kern van een ster die net niet instortte tot een zwart gat) en te lícht voor een zwart gat.

De betrokken wetenschappers schrijven dat het niet duidelijk is wat ze hebben gezien. Het was ofwel de zwaarst bekende neutronenster ofwel het lichtst bekende zwarte gat. Anderen speculeren over objecten die nog veel meer boekjes te buiten gaan: zoals een gemaakt van exotische donkeremateriedeeltjes. Het onderzoek werd vorige week in het wetenschappelijke tijdschrift The Astrophysical Journal Letters gepubliceerd.

In dit diagram zijn de tot nu toe gevonden neutronensterren (geel) en zwarte gaten (paars en blauw) weergegeven ter hoogte van hun massa. Tussen het gewicht van neutronensterren en zwarte gaten lijkt een kloof te bestaan. De laatste ontdekking is de samensmelting die in het midden is weergegeven (roze).

 LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Aaron Geller/Northwestern/Roel van der Heijden (vertaling)

Massakloof

‘Heel verrassend’ noemt Chris Van Den Broeck het resultaat. Hij is hoogleraar aan de Universiteit Utrecht en onderzoeksleider bij de afdeling gravitationele fysica van het onderzoeksinstituut Nikhef. Als onderzoeker staat hij ook op de lange auteurslijst van het artikel. “Er is nog nooit met zekerheid een neutronenster gezien van meer dan ruim twee zonsmassa’s, en ook nog nooit een zwart gat dat lichter is dan vijf keer de massa van de zon”, zegt hij. “De reden daarvoor is niet geheel duidelijk. Computermodellen geven geen uitsluitsel, maar de waarnemingen laten zien dat de vorming van objecten met deze massa moeilijk is.”

Zowel de lichtere neutronensterren als de wat zwaardere zwarte gaten ontstaan wanneer zware sterren geen brandstof hebben en hun kern instort. De theorie zegt dat een neutronenster die zwaarder is dan twee zonsmassa’s onder zijn eigen zwaartekracht instort tot een zwart gat. Toch lijken zwarte gaten pas ‘vanaf’ pakweg vijf zonsmassa’s te ontstaan. Van Den Broeck zegt dat astronomen daarom speculeren dat de vorming van deze twee objecten op een heel andere manier verloopt.

Het is overigens niet onmogelijk om een (compact) object te hebben van tussen de twee en vijf zonsmassa’s. Neem twee neutronensterren van anderhalve zonsmassa, laat ze fuseren en je hebt een object van drie zonsmassa’s. Wat volgens Van Den Broeck dan wél lastig te verklaren is, is hoe dit object vervolgens weer in een kleine baan rondom een veel zwaarder zwart gat terechtgekomen is. “De modellen laten zien dat dit vrij zeldzaam is. Zo’n scenario vereist gemiddeld veel tijd”, zegt hij.

Sterrenhoop Terzan 5 bevat honderdduizenden sterren en staat op een kleine 20 duizend lichtjaar van de aarde in onze eigen Melkweg. Mogelijk bieden dit soort ‘drukke’ omgevingen kansen voor het ontstaan van duo’s van zware compacte objecten.

 ESO/F. Ferraro via CC BY 3.0

“Dit object zit midden in de eerder waargenomen massakloof”, zegt Van Den Broeck. “Je kunt in de modellen wel met knoppen spelen waarmee je de mogelijkheden voor het ontstaan van bijzondere combinaties oprekt. Maar een object in de massakloof en de andere 23 zonsmassa’s? Zo ver draaien de knoppen niet. Ik denk dat de theoretici hiervoor weer terug naar de tekentafel moeten.”

Exotische verklaringen

Sommige wetenschappers hinten op exotischere verklaringen. Van Den Broeck zegt dat er uit bijvoorbeeld de snaartheorie mogelijke alternatieven voor neutronensterren of zwarte gaten rollen. Fuzzballs bijvoorbeeld, die bestaan uit een grote hoeveelheid minuscule trillende snaartjes, of grotendeels doorzichtige bosonsterren. Verder kun je denken aan samenballingen van mysterieuze donkere materie die níet een zwart gat vormen. Toch zijn al deze verklaringen speculatief. Er bestaat in ieder geval geen sluitend bewijs voor het bestaan van dit soort objecten.

Van Den Broeck zet daarom zijn geld in op een neutronenster of zwart gat. “Daarvan weten we tenminste dat ze bestaan. Aan de andere kant: als we het bestaan van een meer exotisch object aantonen, heeft dat verreikende gevolgen voor de natuurkunde.”

Grotere populatie

De kans is vervlogen om nu nog te achterhalen wat het object was. Niet alleen is het vernietigd, maar ook zendt het resulterende object (een nieuw, iets zwaarder zwart gat) geen meetbare zwaartekrachtgolven of straling meer uit. Verschillende telescopen op aarde hebben nog gezocht naar een tegenhanger in het elektromagnetische spectrum, maar die is (zoals verwacht) niet gevonden. Volgens de theorie slokt het zwarte gat iedere meetbare straling van de botsing op. In 2017 lukte het wetenschappers wél om de straling van de botsing van twee neutronensterren vast te leggen met een groot aantal telescopen.

Het is wachten op een nieuwe meting van een vergelijkbare botsing. Van Den Broeck heeft goede hoop. “Het feit dat we zo’n botsing binnen een paar jaar al hebben gemeten, betekent waarschijnlijk dat het vaker voorkomt. Ik denk dat dit een voorbode is van een hele populatie van deze objecten”, zegt hij. “Een nieuwe meting is absoluut nodig om hier meer over te leren.”

Zo’n nieuwe detectie kan nog even op zich laten wachten door meer aardse oorzaken. Momenteel liggen de detectoren van LIGO en Virgo stil voor upgrades die ze nog gevoeliger moeten maken. Ze kunnen daarna waarschijnlijk nog dieper het heelal in kijken, samen met de nieuwe Japanse KAGRA-zwaartekrachtgolfdetector. Het plan is om op zijn vroegst vanaf 2022 weer nieuwe gezamenlijke metingen te doen.

Een artistieke impressie van een zwart gat in de ruimte.

Impressie van twee zwarte gaten in een ring van materie om een nog veel groter zwart gat (boven).

 Caltech/R. Hurt (IPAC)
‘Vlammende’ zwarte gaten

Er was nog meer nieuws uit de wereld van zwarte gaten vorige week. Astronomen schrijven in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters dat ze wellicht licht detecteerden van twee botsende zwarte gaten die samen rondom een nog veel zwaarder zwart gat draaien. Op 21 mei 2019 namen ze een zwaartekrachtgolfsignaal waar dat precies samenviel met een lichtsignaal uit een heldere kern van een sterrenstelsel, de zogenoemde quasar J1249+3449.

De onderzoekers vermoeden dat het gaat om twee samensmeltende zwarte gaten die zich in een hete ring van materie om een groot centraal zwart gat van het sterrenstelsel bevinden. De botsing creëerde vermoedelijk een nieuw zwart gat dat na de fusie in een willekeurige richting werd gelanceerd. Het trekt daarbij als het ware een spoor door de materiering. Precies dit opslokken van materie uit de ring kan leiden tot het uitzenden van straling.

Bron
  • Abbott R. et al., GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object, The Astrophysical Journal Letters (23 juni 2020), DOI:10.3847/2041-8213/ab960f
ReactiesReageer